Nosso mundo está cheio de sistemas extremamente complicados de transporte, finança, vida biológica, e outros. Esses chamados sistemas complexos, natural ou artificial, são sistemas que são intrinsecamente desafiadores de prever devido à dinâmica coletiva emergente influenciada por fatores ambientais externos.

A complexidade desses sistemas está enraizada nas intrincadas interdependências entre esses elementos constitutivos e as interações com o mundo exterior. Compreender a propagação de perturbações exógenas é de importância crítica para sistemas complexos. Por exemplo, pense em um desligamento local em uma extremidade da rede elétrica, e como isso pode levar a uma falha massiva em cascata, tornando-se uma bola de neve em um blecaute em grande escala, como o blecaute do nordeste de 2003 nos Estados Unidos. Ou como uma tempestade de neve na área metropolitana de Nova York provoca uma avalanche de atrasos em companhias aéreas em São Francisco, Los Angeles, e em toda a Costa Oeste. Ou modismos introduzidos por celebridades que às vezes se tornam virais, propagam e amplificam por meio de tuítes / retuítes, compartilhar e curtir.

Para sistemas descentralizados em rede operando em ambientes dinâmicos, a capacidade de responder às mudanças das circunstâncias é fundamental. Pode ser uma questão de vida ou morte para os pássaros em bando e manobrando para escapar de um ataque de predador. Também pode ser uma questão de eficiência ideal para sistemas multi-robôs operando coletivamente e sujeitos a condições variáveis. Portanto, é fundamental investigar e compreender a influência da topologia da rede na resposta coletiva do sistema.

Com isso em mente, Bouffanais e sua equipe da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD) consideraram um modelo arquetípico de tomada de decisão distribuída. O objetivo era estudar a capacidade coletiva do sistema em responder às perturbações externas locais. Seus resultados teóricos de ciência de rede foram verificados com experimentos sobre o comportamento coletivo de um enxame de robôs terrestres. Eles revelaram uma relação não trivial entre a dinâmica da perturbação e a topologia de rede ótima. A resposta coletiva emergente do enxame a uma perturbação de mudança lenta aumenta com o grau da rede de interação, mas o oposto é verdadeiro para a resposta a um que muda rapidamente. Seu estudo descobriu a existência de um número específico de interações entre as unidades necessárias para produzir uma resposta coletiva ótima.

O investigador principal, SUTD Professor Associado Roland Bouffanais, disse:"Dada a explosão no desenvolvimento de sistemas distribuídos / descentralizados, esta pesquisa mostra que uma reconfiguração dinâmica da rede de interação é essencial para as operações coletivas eficazes desses sistemas complexos de engenharia em diferentes escalas de tempo. "

Detalhes deste trabalho apareceram no Avanços da Ciência em 3 de abril de 2019.